LabVIEW構建的移動(dòng)機器人及無(wú)人駕駛車(chē)

　　機器人分 類(lèi)復雜且關(guān)鍵技術(shù)眾多，從廣義范疇上說(shuō)，通常所說(shuō)的機器人主要包括教育機器人、移動(dòng)機器人、工業(yè)機械臂三大類(lèi)。機械臂發(fā)展時(shí)間早，產(chǎn)業(yè)化程度高，相對已經(jīng)有了成熟的行業(yè)解決方案，特別在汽車(chē)制造等領(lǐng)域，機械臂已被廣泛的運用于產(chǎn)線(xiàn)裝配。移動(dòng)機器人構成復雜、應用靈活，目前商業(yè)化程度還不高，相對處于前沿研 究的階段，因此一直以來(lái)都是科學(xué)家和工程師們關(guān)注的重點(diǎn)。本文將主要探討移動(dòng)機器人及無(wú)人駕駛車(chē)的研究和開(kāi)發(fā)。

　　圖1 機器人系統的分類(lèi)

　　盡管移動(dòng)機器人構成復雜且關(guān)鍵技術(shù)眾多，但具有某些共同的構架和組成部分，是一個(gè)融合了眾多機電系統和子系統的綜合體系，并通過(guò)這些組成部分與子系統的有機結合協(xié)調工作，雖然部分子系統已有現成的軟硬件工具和解決方案，但如何快速地把各子系統集成在一起、進(jìn)行早期的整體功能性驗 證，就成了決定機器人設計成敗的關(guān)鍵性環(huán)節。

　　圖形化系統設計——機器人設計的前沿方法

　　在Google X PRIZE機構、FIRST組織(科學(xué)技術(shù)的啟示與認知組織)、RoboCup以及美國國防高級研究計劃局(DARPA)之間展開(kāi)的競爭推進(jìn)了機器人學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng )新。富有創(chuàng )新思維的開(kāi)發(fā)者們將機器人學(xué)的前沿方法推進(jìn)到了圖形化系統設計。在LabVIEW圖形化編程平臺下，機器人學(xué)的領(lǐng)域專(zhuān)家能夠對復雜的機器人方案進(jìn)行快速的原型設計。這些創(chuàng )新工作者能夠不用關(guān)心底層的實(shí)現細節，可以將注意力集中到解決手上的工程問(wèn)題中去。

　　機器人設計通常包含以下部分的工作內容，如圖2所示：

　　感知系統- 連接到陀螺儀、CCD、光電、超聲等傳感器，獲取并處理信息

　　決策規劃- 相當于機器人的‘大腦’，根據算法進(jìn)行控制決策，完成管理協(xié)調、信息處理、運動(dòng)規劃等任務(wù)

　　執行控制- 根據具體的作業(yè)指令，通過(guò)驅動(dòng)控制器、編碼器和電機完成機器人的伺服控制與運動(dòng)執行

　　網(wǎng)絡(luò )通訊與控制- 機器人各子系統間的通訊網(wǎng)絡(luò )，完成分布式控制與實(shí)時(shí)控制

　　圖2 移動(dòng)機器人的設計平臺

　　過(guò)去，由于在每個(gè)領(lǐng)域中必須使用各自的傳統工具，其中涉及的知識具有較大的縱向深度，機械工程師、電氣工程師以及程序員團隊都各自領(lǐng)導機器人學(xué)的開(kāi)發(fā)。LabVIEW和NI硬件提供了一個(gè)獨特的、功能多樣的平臺，它提供了一套標準的可供所有機器人設計人員使用的工具，從而使機器人開(kāi)發(fā)得到了統一。

　　來(lái)自弗吉尼亞理工大學(xué)機器人學(xué)與機械實(shí)驗室(RoMeLa)的工科學(xué)生，在Dennis Hong教授的領(lǐng)導下正在進(jìn)行智能動(dòng)態(tài)擬人機器人(DARwin)的雙足類(lèi)人機器人的開(kāi)發(fā)和研究，目的是對假肢進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。DARwin使用NI LabVIEW圖形化系統設計平臺，能夠實(shí)現全范圍運動(dòng)，并且能夠準確地模擬人類(lèi)運動(dòng)。學(xué)生使用LabVIEW分析動(dòng)態(tài)雙足運動(dòng)、設計并開(kāi)發(fā)機器人控制系 統的原型。如果開(kāi)發(fā)的原型能夠令人滿(mǎn)意地工作，他們就將控制算法部署到運行LabVIEW實(shí)時(shí)模塊的PC/104單板計算機上。

　　通過(guò) LabVIEW，設計人員無(wú)需成為計算機專(zhuān)家或程序員，就可以開(kāi)發(fā)高級機器人。例如，一位只有有限LabVIEW和機器視覺(jué)經(jīng)驗的學(xué)生在短短幾個(gè)小時(shí)之 內，就設計了一個(gè)讓機器人利用它帶有的IEEE 1394相機和NI機器視覺(jué)開(kāi)發(fā)模塊跟蹤一個(gè)紅球的算法。工程師們使用LabVIEW和NI硬件，就可以使用功能強大的圖形化編程語(yǔ)言快速地設計并開(kāi)發(fā)復雜算法的原型;并通過(guò)代碼生成方便地將控制算法部署到PC、FPGA、微控制器或實(shí)時(shí)系統之中;還可以與幾乎所有的傳感器、執行器進(jìn)行連接。此外，通過(guò) LabVIEW和NI硬件平臺，可以支持CAN、以太網(wǎng)、串口、USB等多種接口，方便地構建機器人系統的通訊網(wǎng)絡(luò )?，F在，領(lǐng)域專(zhuān)家不僅僅能夠完成機械工 程師的工作，還能夠成為機器人設計者。

　　實(shí)例分析1：南洋理工大學(xué)使用NI LabVIEW設計救生機器人蜘蛛

　　南洋理工大學(xué)開(kāi)發(fā)了一個(gè)用于支持營(yíng)救工作的六足機器人蜘蛛。它是一個(gè)尺寸較小、可移動(dòng)的智能機器人，在搜尋被陷的受害者時(shí)，它可以越過(guò)障礙并到達通常難以觸及的地方。替代如清掃雷區使之無(wú)雷化等危險任務(wù)中的工作人員也是機器人蜘蛛的另一個(gè)潛在應用領(lǐng)域。

　　他們設計了一個(gè)高度可移動(dòng)的行走方案，它由六只獨立的下肢組成，可以任意方向移動(dòng)機器人，即使在機器人移動(dòng)通常不可行或過(guò)于危險的地帶。行走與旋轉均屬于模仿六足昆蟲(chóng)而得的基本的高層次運動(dòng)模式。通過(guò)三條下肢移動(dòng)而另外三條下肢抬高，機器人可以達到期望的行走速度，并提供惡劣地帶所需的足夠平衡。爬行 時(shí)，機器人可以擠壓通過(guò)緊湊的空間和狹縫。單下肢的低層次運動(dòng)步態(tài)是3D空間內的幾何原語(yǔ)，如長(cháng)方形或圓形軌道。

　　圖3 基于NI LabVIEW設計的救生機器人蜘蛛